Σαν σήμερα... 1868, γεννήθηκε ο Arnold Sommerfeld.

Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld

Σαν σήμερα, στις 5 Δεκεμβρίου 1868, γεννήθηκε ο Arnold Johannes Wilhelm Sommerfeld (Άρνολντ Γιοχάνες Βίλελμ Σόμερφελντ), στο Königsberg της Ανατολικής Πρωσίας (σήμερα Kaliningrad στη Ρωσία). Υπήρξε ένας από τους πρωτοπόρους της κβαντικής και της ατομικής φυσικής και λαμπρός δάσκαλος επιφανών φυσικών.

Πατέρας του Άρνολντ ήταν ο γιατρός Franz Sommerfeld, από ευγενή οικογένεια του Königsberg και μητέρα του η Cäcile Matthias.

Το 1875 μπήκε στο Γυμνάσιο Altstädtisches στο Königsberg. Την ίδια εποχή, στο ίδιο σχολείο φοιτούσαν σε μεγαλύτερη τάξη ο Hermann Minkowski και ο Wilhelm Wien. Ήταν πολύ καλός μαθητής και, σύμφωνα με τον ίδιο, αγαπούσε περισσότερο τη λογοτεχνία, την ιστορία και τις κλασικές γλώσσες από τα μαθήματα των θετικών επιστημών.

Το Γυμνάσιο Altstädtisches στο Königsberg όπου 
φοίτησε ο Άρνολντ Σόμερφελντ.

Το 1886, αφού πέρασε τις τελικές σχολικές εξετάσεις (δίπλωμα Abitur), γράφτηκε στο Πανεπιστήμιο Albertina του Königsberg για να σπουδάσει μαθηματικά. Το Τμήμα Μαθηματικών στο Königsberg εκείνη την εποχή ήταν γνωστό για το εξαιρετικό καθηγητικό προσωπικό που δίδασκε εκεί. Ο Σόμερφελντ παρακολουθούσε διαλέξεις σε όλα τα συναφή με τα μαθηματικά μαθήματα, όπως φυσική, φιλοσοφία, και πολιτική οικονομία. Διδάχτηκε από τους μαθηματικούς Adolf Hurwitz και David Hilbert και από τον φυσικό Emil Wiechert. Το Πανεπιστήμιο ήταν διάσημο για τη σχολή θεωρητικής φυσικής που είχε ιδρυθεί από τον Franz Neumann. 

Μετά από την παρακολούθηση μιας σειράς μαθημάτων από τον Hilbert σχετικά με τη θεωρία των ιδανικών αριθμών, ο Σόμερφελντ αισθάνθηκε ότι τα αφηρημένα καθαρά μαθηματικά ήταν το σωστό αντικείμενο σπουδών γι’ αυτόν.

Ο Άρνολντ Σόμερφελντ ως φοιτητής το 1889.

Εκείνη την εποχή ήταν έθιμο των Γερμανών φοιτητών να μετακινούνται από το ένα πανεπιστήμιο στο άλλο, ωστόσο ο Σόμερφελντ δεν το έκανε, παραμένοντας στο Königsberg. Αργότερα βέβαια μετάνιωσε γι’ αυτό, γιατί στα πρώτα έτη σπαταλούσε πολύ από το χρόνο του κάνοντας “φοιτητική ζωή” με τη φοιτητική ομάδα Burschenschaft, κάτι που εμπόδισε τη συστηματική και συγκεντρωμένη μελέτη του.    

Υπεύθυνος για τη διατριβή του ήταν ο μαθηματικός Ferdinand von Lindemann. Το 1891 του απονεμήθηκε το διδακτορικό του από το Königsberg για τη διατριβή του “Die willkürlichen Functionen in der mathematischen Physik”. Ήταν μια εργασία η οποία, όπως έγραψε ο ίδιος ο Σόμερφελντ,  “…συνέλαβα και έγραψα σε λίγες εβδομάδες”, το καλοκαίρι του 1891.

Μετά την ολοκλήρωση του διδακτορικού του, ο Σόμερφελντ παρέμεινε στο Königsberg για να πάρει το δίπλωμα διδασκαλίας που θα του επέτρεπε να διδάξει μαθηματικά και φυσική στο γυμνάσιο. Το 1892, αφού πέρασε αυτές τις εξετάσεις, ξεκίνησε την ετήσια στρατιωτική του θητεία στο σύνταγμα επιφυλακής στο Königsberg. Μάλιστα, επειδή του άρεσε το στρατιωτικό κλίμα, συνέχισε,  για τα επόμενα οκτώ χρόνια, να συμμετέχει στις εθελοντικές στρατιωτικές ασκήσεις διάρκειας οκτώ εβδομάδων κάθε φορά.

Ο Άρνολντ Σόμερφελντ το 1897.

Τον  Σεπτέμβριο του 1893, μετά την ολοκλήρωση της στρατιωτικής του εκπαίδευσης, ο Σόμερφελντ πήγε στο Πανεπιστήμιο του Γκέτιγκεν, γνωρίζοντας ότι εκεί ήταν «η έδρα της μαθηματικής διανόησης». Αφού πέρασε ένα χρόνο στο Ορυκτολογικό Ινστιτούτο ως βοηθός του μεταλλειολόγου Theodor Liebisch, που ήταν οικογενειακός φίλος, τον Σεπτέμβριο του 1894 έγινε βοηθός του Felix Klein (Φέλιξ Κλάιν). Έχοντας παρακολουθήσει διαλέξεις και συζητήσεις του Κλάιν επηρεάστηκε έντονα από την προσωπικότητά του. Όπως έγραψε αργότερα ο Σόμερφελντ σε σημειώσεις του: “Πάντα θεωρούσα τον Κλάιν ως τον πραγματικό μου δάσκαλο, όχι μόνο σε ό,τι είχε σχέση με τα μαθηματικά, αλλά και στη μαθηματική φυσική και σε ό,τι είχε σχέση με τη μηχανική”.

Η πρώτη εργασία του Σόμερφελντ υπό την επίβλεψη του Κλάιν ήταν για την μαθηματική ερμηνεία του φαινομένου της διάθλασης. Αυτή η εργασία περιείχε σπουδαία θεωρία στηριγμένη στις μερικές διαφορικές εξισώσεις. Άλλες σημαντικές εργασίες που ανέλαβε την περίοδο που βρισκόταν στο Γκέτινγκεν ήταν σχετικά με τη μελέτη της διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων σε καλώδια και τη μελέτη του πεδίου που παράγεται από ένα κινούμενο ηλεκτρόνιο.

Τον Μάρτιο 1895, ο Σόμερφελντ αφού παρουσίασε στο Γκέτινγκεν  τη μεταδιδακτορική διατριβή του (habilitation) με τίτλο “Mathematische Theorie der Diffraction” (“Η μαθηματική θεωρία της διάθλασης”), έγινε άμισθος πανεπιστημιακός διδάσκων (privatdozent) στα μαθηματικά.

Σόμερφελντ και Πάουλι.

Το 1895-96 ο Κλάιν με τον Σόμερφελντ έγραψαν από κοινού ένα έργο 4 τόμων σχετικά με τη θεωρία των γυροσκοπίων, που τελικά δημοσιεύτηκε το 1909-1910. Οι δύο πρώτοι τόμοι του έργου ασχολούνται με τη μαθηματική θεωρία, ενώ οι δύο άλλοι ασχολούνται με τις εφαρμογές στη γεωφυσική, την αστρονομία και την τεχνολογία.

Ενώ βρισκόταν στο Γκέτινγκεν, ο Σόμερφελντ γνώρισε την Johanna Höpfner, κόρη του πρύτανη του πανεπιστημίου, Ernst Höpfner. Όμως το ζευγάρι δεν μπορούσε να παντρευτεί, αφού το εισόδημα του Σόμερφελντ ήταν ανεπαρκές για να στηρίξει ένα γάμο.

Το ατομικό μοντέλο του Σόμερφελντ 
με τις ελλειπτικές τροχιές.

Από τον Οκτώβριο του 1897 ο Σόμερφελντ ξεκίνησε να διδάσκει μαθηματικά στην Ακαδημία Ορυχείων στο Clausthal που ήταν κοντά στο Γκέτινγκεν. Παρά το γεγονός ότι δεν ήταν μια συναρπαστική δουλειά, του έδινε τη δυνατότητα να συνεχίσει τη συνεργασία με τον Κλάιν και το κυριότερο, του παρείχε έναν επαρκή μισθό για να παντρευτεί αμέσως την αγαπημένη του. Το ζευγάρι απέκτησε τρεις γιους και μια κόρη. Ο πρώτος γιος ήταν ο Ernst (1899 - 1976) και ακολούθησε η κόρη Margarethe (1900 - 1976).

Τρία χρόνια αργότερα, το 1900, έγινε καθηγητής Μηχανικής στο Königliche Technische Hochschule Aachen (αργότερα Πανεπιστήμιο του Άαχεν), κατόπιν σύστασης του Κλάιν. Στη θέση αυτή ανέπτυξε τη θεωρία της υδροδυναμικής, ένα θέμα που θα διατηρούσε το ενδιαφέρον του για μεγάλο χρονικό διάστημα. Αργότερα, όταν πλέον θα βρισκόταν στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου, οι φοιτητές του Werner Heisenberg και Ludwig Hopf θα έγραφαν διδακτορικό γι' αυτό το θέμα.

Γράμμα του Linus Pauling στον
Σόμερφελντ (20 Οκτωβρίου 1925).

Το 1906 κλήθηκε από τον Wilhelm Röntgen ν' αναλάβει τακτικός καθηγητής φυσικής και διευθυντής του νέου Ινστιτούτου Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου. Το Ινστιτούτο δημιουργήθηκε για τον ίδιο, με αίθουσες για σεμινάρια, αίθουσες για βοηθούς και εργαστήρια για πειραματική εργασία. Παρά το γεγονός ότι ήταν θεωρητικός φυσικός, ήθελε να είναι σε θέση να κατευθύνει πειραματική εργασία με στόχο τον έλεγχο των θεωριών του. Στη διάρκεια της παραμονής του στο Μόναχο επέβλεψε ένα μεγάλο αριθμό φοιτητών, που άλλοι ασχολούνταν με τη θεωρητική φυσική και άλλοι συμμετείχαν σε προγράμματα πειραματικής έρευνας. Μερικοί από τους διάσημους φοιτητές του ήταν ο Peter Debye (διδακτορικό το 1908), ο Peter Ewald (διδακτορικό το 1912), ο Wolfgang Pauli (διδακτορικό το 1921), ο Werner Heisenberg (διδακτορικό το 1923) και ο Hans Bethe (διδακτορικό το 1928). Συνολικά επέβλεψε περίπου 30 διδακτορικούς φοιτητές στο Μόναχο, με κάποιος από αυτούς να παίρνουν Νόμπελ τα επόμενα χρόνια.

O Σόμερφελντ ασχολούμενος με το αγαπημένο του σκι.

Ένα από τα πρώτα θέματα για τα οποία εργάστηκε στο Μόναχο ήταν τα ατομικά φάσματα. Μελέτησε την υπόθεση ότι οι ακτίνες Χ ήταν κύματα και το απέδειξε χρησιμοποιώντας κρυστάλλους ως τρισδιάστατα σώματα διάθλασης.

Από το 1911 ο κύριος τομέας ενδιαφέροντός του έγινε η κβαντική θεωρία. Με το έργο του ο Σόμερφελντ αντικατέστησε τις κυκλικές τροχιές του ατομικού μοντέλου του Μπορ με ελλειπτικές τροχιές.

Το 1916 εισήγαγε τον μαγνητικό κβαντικό αριθμό και τέσσερα χρόνια αργότερα, τον αζιμουθιακό κβαντικό αριθμό. Ήταν θεωρητική εργασία που οδήγησε στην ανακάλυψη της ιδιοπεριστροφής (spin) των ηλεκτρονίων.

Κατά τη διάρκεια της ζωής του στο Μόναχο, ήρθε σ’ επαφή με την ειδική θεωρία της σχετικότητας του Άλμπερτ Αϊνστάιν. Εκείνη την εποχή, η θεωρία του Αϊνστάιν δεν ήταν ακόμη ευρέως αποδεκτή και η μαθηματική συνεισφορά του Σόμερφελντ βοήθησε στην αποδοχή αυτής της θεωρίας.

Σόμερφελντ και Μπορ στο Lund της Σουηδίας.

Το 1918, ο Σόμερφελντ έγινε ο διάδοχος του Άλμπερτ Αϊνστάιν ως πρόεδρος της Deutsche Physikalische Gesellschaft (Γερμανική Εταιρεία Φυσικής - DPG). Ο Σόμερφελντ βοήθησε στη δημιουργία του περιοδικού "Zeitschrift für Physik" ("Περιοδικό Φυσικής") το 1920, ένα περιοδικό στο οποίο δημοσιεύθηκαν και αξιολογήθηκαν σπουδαία άρθρα φυσικής και λειτούργησε ως όχημα για την ανάδειξη της νέας γενιάς των θεωρητικών φυσικών.

 

Ο Σόμερφελντ χρησιμοποίησε τη στατιστική μηχανική για να εξηγήσει τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των μετάλλων. Με την εργασία του αντικατέστησε μια προηγούμενη θεωρία που είχε διατυπώσει ο Hendrik Lorentz το 1905, βασισμένη στην κλασσική φυσική. Η προσέγγιση του Σόμερφελντ ήταν να θεωρεί τα ηλεκτρόνια σε ένα μέταλλο ως εκφυλισμένο αέριο ηλεκτρονίων. Έτσι, ήταν σε θέση να εξηγήσει χαρακτηριστικά που ήταν ανεξήγητα με την προηγούμενη κλασική θεωρία. Η σημαντική εργασία του "Atombau und Spektrallinien" ("Ατομική δομή και φασματικές γραμμές") κυκλοφόρησε για πρώτη φορά το 1919 κι έτρεξε σε έξι εκδόσεις.

Ο Σόμερφελντ με τον Chandrasekhara Raman το 1928.

Με την άνοδο του ναζιστικού κόμματος στη Γερμανία, ο Σόμερφελντ βρισκόταν προς το τέλος της καριέρας του και τα γεγονότα που συνέβαιναν στη χώρα του τον έκαναν να λυπάται καθημερινά. Ο Σόμερφελντ ήταν υποχρεωμένος να βλέπει διάσημους συναδέλφους του με εβραϊκή καταγωγή να υποχρεώνονται σε μετανάστευση. Ένα χρόνο μετά την άνοδο του Χίτλερ στην εξουσία, έγραψε σε γράμμα του στον Αϊνστάιν:

«Μπορώ να σας διαβεβαιώσω ότι η κατάχρηση της λέξης "εθνικό" από τους ηγέτες μας έχει σπάσει βαθιά μέσα μου τα εθνικά συναισθήματα που στην περίπτωσή μου ήταν πολύ έντονα πάντα. Θα ήμουν τώρα πρόθυμος να δω τη Γερμανία να εξαφανίζεται ως δύναμη και να συγχωνεύεται σε μια ειρηνική Ευρώπη.»

Το 1928-1929 ο Σόμερφελντ ταξίδεψε για ένα χρόνο σε πολλές χώρες σ’ όλο τον κόσμο, με κυριότερους σταθμούς την Ινδία, την Κίνα, την Ιαπωνία και τις ΗΠΑ. Με αυτό τον τρόπο προσπάθησε να βοηθήσει τους συναδέλφους του Γερμανούς εβραίους επιστήμονες με τις φιλίες που είχε δημιουργήσει, ιδιαίτερα στις Ηνωμένες Πολιτείες.

Ο Σόμερφελντ το 1928.

Την 1η Απριλίου 1935 βγήκε σε σύνταξη, αλλά η θέση του παρέμεινε κενή μέχρι την 1η Δεκεμβρίου 1939 λόγω πολιτικών και ακαδημαϊκών διαφορών. Όμως, η μετανάστευση δεκάδων Γερμανών επιστημόνων λόγω του ναζιστικού καθεστώτος, τον έκανε να αισθανθεί την υποχρέωση να συνεχίσει την πανεπιστημιακή διδασκαλία μέχρι το 1947.

Η ζωή του Άρνολντ Σόμερφελντ τελείωσε μ’ ένα τραγικό τρόπο. Την άνοιξη του 1951, έχοντας βγει βόλτα με τα εγγόνια του, τον κτύπησε διερχόμενο φορτηγό, αφού δεν άκουσε λόγω κωφότητας τις προειδοποιήσεις. Πέθανε στο Μόναχο από τα τραύματα του κτυπήματος στις 26 Απριλίου 1951, σε ηλικία 83 ετών. Θάφτηκε στο νεκροταφείο Nordfriedhof του Μονάχου.

Στη διάρκεια της ζωής του, αλλά και αργότερα ο Σόμερφελντ τιμήθηκε με πλήθος βραβείων και μεταλλίων. Κέρδισε το χρυσό μετάλλιο Lorentz, το μετάλλιο Planck και το μετάλλιο Oersted. Εξελέγη στη Βασιλική Εταιρεία του Λονδίνου, στην Εθνική Ακαδημία Επιστημών της Ουάσιγκτον, στις Ακαδημίες του Βερολίνου, του Μονάχου, της Βιέννης, του Γκέτινγκεν, της Βουδαπέστης, της Ουψάλας και της Μαδρίτης, καθώς και στην Ακαδημία Lincei της Ρώμης, στην Ακαδημία της Σοβιετικής Ένωσης στη Μόσχα και στην Ινδική Ακαδημία Επιστημών. Έλαβε τιμητικά πτυχία από πολλά πανεπιστήμια, μεταξύ των οποίων ήταν αυτά του Ρόστοκ, του Άαχεν, της Καλκούτας και της Αθήνας.

Ο οικογενειακός τάφος των Σόμερφελντ.

Ήταν υποψήφιος για το Βραβείο Νόμπελ 84 φορές, αλλά ποτέ δεν το έλαβε.

Το 2004, το Κέντρο Θεωρητικής Φυσικής στο Πανεπιστήμιο του Μονάχου πήρε τιμητικά το όνομά του. 

• Βίντεο - βιογραφία του Άρνολντ Σόμερφελντ με τίτλο "The Man Who Was Nominated for the Nobel Prize 84 Times, But Never Won" από τον ιστότοπο "Today I Found Out" (αγγλικά, 8:58).

• Ο Hans Bethe για τον Σόμερφελντ (αγγλικά, 1:28).

• Ο Edward Teller για τον Σόμερφελντ (αγγλικά, 2:42).

• Βίντεο που παρουσιάζει το ατομικό μοντέλο του Σόμερφελντ από τον ιστότοπο "Physics4students" (αγγλικά, 6:24).

Πηγή: Today in Science History, st-andrews